भविष्यातील न्यूक्लियर फ्यूजन एनर्जी रिॲक्टर्सच्या आतील भाग पृथ्वीवर निर्माण झालेल्या सर्वात कठोर वातावरणांपैकी एक असेल.पृथ्वीच्या वातावरणात पुन्हा प्रवेश करणाऱ्या स्पेस शटलसारख्या प्लाझ्मा-उत्पादित उष्णतेच्या प्रवाहापासून फ्यूजन अणुभट्टीच्या आतील भागाचे संरक्षण करण्यासाठी पुरेसे मजबूत काय आहे?

ORNL संशोधकांनी नैसर्गिक टंगस्टन (पिवळा) आणि समृद्ध टंगस्टन (नारिंगी) वापरून टंगस्टनची धूप, वाहतूक आणि पुनर्संचय शोधले.फ्यूजन यंत्राच्या आतील बाजूस चिलखत करण्यासाठी टंगस्टन हा प्रमुख पर्याय आहे.

ऊर्जा विभागाच्या ओक रिज नॅशनल लॅबोरेटरीमधील झेके उंटरबर्ग आणि त्यांची टीम सध्या आघाडीच्या उमेदवारासोबत काम करत आहे: टंगस्टन, ज्यामध्ये नियतकालिक सारणीवरील सर्व धातूंचा सर्वाधिक वितळण्याचा बिंदू आणि सर्वात कमी बाष्प दाब आहे, तसेच अतिशय उच्च तन्य शक्ती— गुणधर्म जे दीर्घ कालावधीसाठी गैरवर्तन करण्यास योग्य बनवतात.फ्यूजन रिॲक्टरमध्ये टंगस्टन कसे कार्य करेल हे समजून घेण्यावर त्यांचा भर आहे, एक असे उपकरण जे प्रकाश अणूंना सूर्याच्या गाभ्यापेक्षा जास्त तापमानापर्यंत गरम करते जेणेकरून ते फ्यूज करतात आणि ऊर्जा सोडतात.फ्यूजन अणुभट्टीतील हायड्रोजन वायूचे हायड्रोजन प्लाझ्मामध्ये रूपांतर केले जाते—एक पदार्थाची अवस्था ज्यामध्ये अंशतः आयनीकृत वायू असते—जे नंतर मजबूत चुंबकीय क्षेत्र किंवा लेसरद्वारे एका लहान प्रदेशात बंदिस्त होते.

“तुम्ही तुमच्या अणुभट्टीमध्ये असे काही ठेवू इच्छित नाही जे फक्त काही दिवस टिकेल,” ORNL च्या फ्यूजन एनर्जी विभागातील वरिष्ठ संशोधन शास्त्रज्ञ, उंटरबर्ग म्हणाले.“तुम्हाला पुरेसे आयुष्य हवे आहे.आम्ही अशा ठिकाणी टंगस्टन ठेवतो जिथे आम्हाला अपेक्षा आहे की तेथे खूप जास्त प्लाझ्मा बॉम्बस्फोट होईल. ”

2016 मध्ये, Unterberg आणि टीमने सॅन दिएगोमधील DOE ऑफिस ऑफ सायन्स युजर फॅसिलिटी, DIII-D नॅशनल फ्यूजन फॅसिलिटी येथे, टोकमाक, एक फ्यूजन अणुभट्टीमध्ये प्रयोग करण्यास सुरुवात केली जी प्लाझ्माची रिंग ठेवण्यासाठी चुंबकीय-क्षेत्र वापरते.त्यांना हे जाणून घ्यायचे होते की टोकामाकच्या व्हॅक्यूम चेंबरला चिलखत करण्यासाठी टंगस्टनचा वापर केला जाऊ शकतो - प्लाझ्माच्या प्रभावामुळे होणाऱ्या जलद नाशापासून संरक्षण करणे - प्लाझ्मा स्वतःच मोठ्या प्रमाणात दूषित न करता.ही दूषितता, पुरेसे व्यवस्थापन न केल्यास, शेवटी फ्यूजन प्रतिक्रिया विझवू शकते.

"आम्ही चेंबरमधील कोणते क्षेत्र विशेषतः खराब असेल हे निर्धारित करण्याचा प्रयत्न करत होतो: जेथे टंगस्टन प्लाझ्मा दूषित करू शकणारी अशुद्धता निर्माण करण्याची शक्यता असते," उंटरबर्ग म्हणाले.

ते शोधण्यासाठी, संशोधकांनी टंगस्टनचा समृद्ध समस्थानिक, W-182, अपरिवर्तित समस्थानिकेसह, डायव्हर्टरमधून टंगस्टनची धूप, वाहतूक आणि पुनर्संचय शोधण्यासाठी वापरला.डायव्हर्टरमधील टंगस्टनची हालचाल पाहता - प्लाझ्मा आणि अशुद्धता वळवण्यासाठी डिझाइन केलेले व्हॅक्यूम चेंबरमधील एक क्षेत्र - त्यांना टोकामॅकमधील पृष्ठभागांवरून ते कसे क्षीण होते आणि प्लाझ्माशी कसे संवाद साधते याचे स्पष्ट चित्र दिले.समृद्ध टंगस्टन आयसोटोपमध्ये नियमित टंगस्टन सारखेच भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म असतात.DIII-D मधील प्रयोगांमध्ये सर्वात जास्त उष्मा प्रवाह झोन, ज्याला विशेषत: डायव्हर्टर दूर-लक्ष्य क्षेत्र म्हटले जाते, जवळ ठेवलेले समृद्ध समस्थानिकासह लेपित लहान मेटल इन्सर्टचा वापर केला.स्वतंत्रपणे, सर्वात जास्त प्रवाह असलेल्या डायव्हर्टर प्रदेशात, स्ट्राइक-पॉइंट, संशोधकांनी न बदललेल्या समस्थानिकेसह इन्सर्ट वापरले.DIII-D चेंबरचा उर्वरित भाग ग्रेफाइटने सजलेला आहे.

या सेटअपमुळे संशोधकांना जहाजाच्या चिलखतीमध्ये आणि त्यातून अशुद्धतेचा प्रवाह मोजण्यासाठी चेंबरमध्ये तात्पुरत्या स्वरूपात घातलेल्या विशेष प्रोबचे नमुने गोळा करण्याची परवानगी मिळाली, ज्यामुळे त्यांना चेंबरमध्ये डायव्हर्टरपासून दूर गेलेला टंगस्टन कोठे होता याची अधिक अचूक कल्पना येऊ शकते. मूळ.

"समृद्ध समस्थानिक वापरल्याने आम्हाला एक अद्वितीय फिंगरप्रिंट मिळाले," उंटरबर्ग म्हणाले.

फ्युजन यंत्रात केलेला हा पहिलाच प्रयोग होता.चेंबर आर्मरिंगसाठी या सामग्रीसाठी सर्वोत्कृष्ट साहित्य आणि स्थान निश्चित करणे हे एक ध्येय होते, तर प्लाझ्मा-मटेरिअल परस्परसंवादामुळे होणारी अशुद्धता मोठ्या प्रमाणात डायव्हर्टरमध्ये समाविष्ट करणे आणि फ्यूजन तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या चुंबक-मर्यादित कोर प्लाझ्माला दूषित न करणे.

डायव्हर्टर्सच्या डिझाइन आणि ऑपरेशनमधील एक गुंतागुंत म्हणजे एज-लोकलाइज्ड मोड्स किंवा ELMs मुळे प्लाझ्मामधील अशुद्धता दूषित होणे.यापैकी काही वेगवान, उच्च-ऊर्जा घडामोडी, सौर फ्लेअर्स सारख्या, डायव्हर्टर प्लेट्स सारख्या जहाजाच्या घटकांना नुकसान किंवा नष्ट करू शकतात.ELM ची वारंवारता, या घटना प्रति सेकंद किती वेळा घडतात, हे प्लाझ्मापासून भिंतीवर सोडल्या जाणाऱ्या उर्जेचे सूचक आहे.उच्च-फ्रिक्वेंसी ईएलएम प्रति विस्फोट कमी प्रमाणात प्लाझ्मा सोडू शकतात, परंतु जर ईएलएम कमी वारंवार होत असतील तर, प्रति विस्फोटित प्लाझ्मा आणि उर्जा जास्त असते, ज्यामुळे नुकसान होण्याची अधिक शक्यता असते.अलीकडील संशोधनाने ELM ची वारंवारता नियंत्रित आणि वाढवण्याचे मार्ग पाहिले आहेत, जसे की पेलेट इंजेक्शनने किंवा अगदी लहान परिमाणांवर अतिरिक्त चुंबकीय क्षेत्रे.

उंटरबर्गच्या टीमला, त्यांच्या अपेक्षेप्रमाणे, असे आढळले की उच्च-फ्लक्स स्ट्राइक-पॉइंटपासून टंगस्टन खूप दूर असल्यामुळे कमी-फ्रिक्वेंसी ईएलएमच्या संपर्कात आल्यावर दूषित होण्याची संभाव्यता मोठ्या प्रमाणात वाढते ज्यामध्ये उच्च उर्जा सामग्री आणि प्रत्येक घटनेचा पृष्ठभाग संपर्क असतो.याव्यतिरिक्त, संघाला असे आढळले की हा वळवणारा दूर-लक्ष्य प्रदेश SOL दूषित होण्यास अधिक प्रवण आहे जरी त्यात सामान्यतः स्ट्राइक-पॉइंटपेक्षा कमी प्रवाह असतो.या प्रकल्पाच्या संबंधात चालू असलेल्या डायव्हर्टर मॉडेलिंग प्रयत्नांद्वारे आणि DIII-D वरील भविष्यातील प्रयोगांद्वारे या प्रतिस्पर्शी परिणामांची पुष्टी केली जात आहे.

या प्रकल्पामध्ये प्रिन्स्टन प्लाझ्मा फिजिक्स लॅबोरेटरी, लॉरेन्स लिव्हरमोर नॅशनल लॅबोरेटरी, सॅन्डिया नॅशनल लॅबोरेटरीज, ओआरएनएल, जनरल ॲटॉमिक्स, ऑबर्न युनिव्हर्सिटी, कॅलिफोर्निया युनिव्हर्सिटी, सॅन दिएगो येथील कॅलिफोर्निया विद्यापीठ, टोरंटो युनिव्हर्सिटी, यासह संपूर्ण उत्तर अमेरिकेतील तज्ज्ञांच्या टीमचा समावेश होता. युनिव्हर्सिटी ऑफ टेनेसी-नॉक्सव्हिल, आणि युनिव्हर्सिटी ऑफ विस्कॉन्सिन-मॅडिसन, कारण ते प्लाझ्मा-मटेरियल परस्परसंवाद संशोधनासाठी एक महत्त्वपूर्ण साधन प्रदान करते.DOE च्या विज्ञान कार्यालयाने (फ्यूजन एनर्जी सायन्सेस) अभ्यासासाठी समर्थन प्रदान केले.

टीमने या वर्षाच्या सुरुवातीला जर्नलमध्ये ऑनलाइन संशोधन प्रकाशित केलेन्यूक्लियर फ्यूजन.

या संशोधनाचा तात्काळ संयुक्त युरोपियन टोरस, किंवा जेईटी, आणि आयटीईआरला फायदा होऊ शकतो, आता कॅडाराशे, फ्रान्समध्ये बांधकाम सुरू आहे, जे दोन्ही डायव्हर्टरसाठी टंगस्टन आर्मर वापरतात.

"परंतु आम्ही ITER आणि JET च्या पलीकडे गोष्टी पाहत आहोत - आम्ही भविष्यातील फ्यूजन अणुभट्ट्या पाहत आहोत," उंटरबर्ग म्हणाले.“टंगस्टन कुठे घालणे चांगले आहे आणि टंगस्टन कुठे ठेवू नये?आमचे अंतिम उद्दिष्ट आमच्या फ्यूजन अणुभट्ट्या, जेव्हा ते येतात, तेव्हा त्यांना स्मार्ट पद्धतीने सजवणे हे आहे.”

उंटरबर्ग म्हणाले की ORNL च्या अद्वितीय स्थिर समस्थानिक गटाने, ज्याने प्रयोगासाठी उपयुक्त असलेल्या स्वरूपात ठेवण्यापूर्वी समृद्ध समस्थानिक कोटिंग विकसित आणि चाचणी केली, त्यामुळे संशोधन शक्य झाले.तो समस्थानिक कोठेही उपलब्ध नसता, परंतु ORNL येथील राष्ट्रीय समस्थानिक विकास केंद्रातून, जे समस्थानिकरित्या विभक्त केलेल्या जवळजवळ प्रत्येक घटकाचा साठा ठेवते, ते म्हणाले.

"ORNL ला या प्रकारच्या संशोधनासाठी अद्वितीय कौशल्य आणि विशिष्ट इच्छा आहेत," उंटरबर्ग म्हणाले."आमच्याकडे समस्थानिक विकसित करण्याचा आणि जगभरातील विविध ऍप्लिकेशन्समध्ये सर्व प्रकारच्या संशोधनात वापरण्याचा मोठा वारसा आहे."

याव्यतिरिक्त, ORNL US ITER चे व्यवस्थापन करते.

पुढे, वेगवेगळ्या आकाराच्या डायव्हर्टर्समध्ये टंगस्टन टाकल्याने गाभ्यावरील दूषिततेवर कसा परिणाम होऊ शकतो हे टीम बघेल.भिन्न डायव्हर्टर भूमिती कोर प्लाझ्मावरील प्लाझ्मा-मटेरियल परस्परसंवादाचे परिणाम कमी करू शकतात, त्यांनी सिद्धांत मांडला आहे.डायव्हर्टरसाठी सर्वोत्तम आकार जाणून घेणे - चुंबकीय-मर्यादित प्लाझ्मा उपकरणासाठी आवश्यक घटक - शास्त्रज्ञांना व्यवहार्य प्लाझ्मा अणुभट्टीच्या एक पाऊल जवळ आणले जाईल.

"जर आपण, एक समाज म्हणून, म्हणालो की आम्हाला अणुऊर्जा हवी आहे आणि आम्हाला पुढच्या टप्प्यावर जायचे आहे," उंटरबर्ग म्हणाले, "फ्यूजन हे पवित्र ग्रेल असेल."